關(guān)麗雅， 孫 明， 左 強(qiáng)

(北京青云航空儀表有限公司，北京 101300)

0 引 言

旋轉(zhuǎn)變壓器作為直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器，因其具有使用成熟、可靠性好、耐高溫、振動(dòng)、沖擊、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域及航空航天領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[1]～[5]。

磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子上無線圈，不需要環(huán)形變壓器，因而具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及易于加工等優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)機(jī)電產(chǎn)品對(duì)直流無刷電機(jī)的需求，設(shè)計(jì)了一款3對(duì)極磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器，用于直流無刷電機(jī)的位置傳感器。借助于有限元分析軟件仿真了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輸出特性的影響，完成優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了旋轉(zhuǎn)變壓器的參數(shù)，制作了樣機(jī)，并進(jìn)行了測(cè)試，樣機(jī)性能滿足設(shè)計(jì)要求。目前該磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器已批量生產(chǎn)，作為轉(zhuǎn)子位置傳感器應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)無刷電機(jī)產(chǎn)品中，并通過了各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足系統(tǒng)要求。該磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的研制成功可降低產(chǎn)品成本，保證產(chǎn)品的按期交付，為同類產(chǎn)品的研制提供參考和依據(jù)。

1. 工作原理和結(jié)構(gòu)組成

1.1 基本參數(shù)

激磁電壓10V，10kHz；

工作溫度范圍-55°C-70°C；

極對(duì)數(shù)：3對(duì)極；

變壓比：0.5；

1.2 工作原理

磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，是一種可旋轉(zhuǎn)的變壓器，其原、副邊線圈均在定子上。轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為凸極結(jié)構(gòu)，凸極數(shù)即為旋變的極對(duì)數(shù)，磁阻式旋變最小為2極對(duì)數(shù)。兩相輸出線圈與激磁線圈互感，并且隨轉(zhuǎn)子的位置變化，從而在輸出線圈中耦合出與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的正余弦電動(dòng)勢(shì)。即輸出線圈與激磁線圈的耦合程度由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角決定，輸出電壓的幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角呈正余弦函數(shù)關(guān)系。圖1為磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的原理示意圖[6]。

圖1 磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器原理示意圖

輸出電壓的幅值用數(shù)學(xué)表達(dá)式可以表示為：

ES1-S3=ER1-R2Ksinωtsinθ

ES2-S4=ER1-R2Kcosωtcosθ

式中，ER1-R2為勵(lì)磁線圈電壓；ES1-S3為正弦相輸出線圈電壓；ES2-S4為余弦相輸出線圈電壓；K為比例系數(shù)即變壓比, ω為激磁電壓頻率，θ為轉(zhuǎn)子角度[7-8]。

1.3 主要結(jié)構(gòu)

磁阻式旋變結(jié)構(gòu)主要由定子、轉(zhuǎn)子及端蓋等組成，磁阻式旋變的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括定子和轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)為3，因此轉(zhuǎn)子的凸極數(shù)為3，定子為12槽結(jié)構(gòu)，圖2所示為磁阻式旋變二維結(jié)構(gòu)圖，轉(zhuǎn)子與定子之間氣隙其0.3mm；定子采用斜槽結(jié)構(gòu)，斜槽數(shù)為0.5，定子和轉(zhuǎn)子鐵芯均由硅鋼片疊壓而成。旋變線圈由激磁線圈和輸出線圈組成，激磁線圈為一相集中繞組，輸出線圈由正弦和余弦兩相構(gòu)成，兩相輸出線圈電氣角度相差90°。

圖2 磁阻式旋變二維結(jié)構(gòu)圖

2 建模與仿真分析

2.1 幾何模型建立

根據(jù)初步確定的旋變結(jié)構(gòu)參數(shù)，在仿真軟件中建立模型如圖3所示。

圖3 旋變二維結(jié)構(gòu)圖

2.2 劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格剖分時(shí)軛部和定子、轉(zhuǎn)子鐵芯較疏，氣隙和齒部較密，剖分后的網(wǎng)格見圖4。本文采用最大剖分單元長(zhǎng)度為0.5mm[9]。

圖4 網(wǎng)格剖分圖

2.3 運(yùn)動(dòng)及求解選項(xiàng)設(shè)定

瞬態(tài)分析時(shí)需要設(shè)定運(yùn)動(dòng)選項(xiàng)，在模型窗口選中運(yùn)動(dòng)面域進(jìn)行運(yùn)動(dòng)類型、數(shù)據(jù)信息及機(jī)械信息等參數(shù)的設(shè)置，模型中的運(yùn)動(dòng)面域是包含轉(zhuǎn)子的面。

求解設(shè)置為終止時(shí)間為0.1s，求解步長(zhǎng)為0.01ms，場(chǎng)信息保存時(shí)間為0.2s。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度為3000rpm/min。

設(shè)置完成后進(jìn)行自檢，自檢后進(jìn)行求解和后處理。

2.4 結(jié)果及分析

圖5的磁力線分布圖，圖6為磁密云圖，可以看出，磁力線分布較均勻，磁密為飽和，磁路設(shè)計(jì)合理。

圖5 電機(jī)磁力線分布圖

圖6 磁密云圖

3 旋變的設(shè)計(jì)

3.1 導(dǎo)磁材料的選取

旋變主要材料包括轉(zhuǎn)子鐵芯材料和定子鐵芯材料，作為導(dǎo)磁體，材料選用軟磁材料。軟磁材料是指矯頑磁力、磁導(dǎo)率高以及磁滯回線面積窄等特點(diǎn)。同時(shí)為了減少能量損耗，還要求軟磁材料磁阻小，由于旋轉(zhuǎn)變壓器工作磁場(chǎng)較弱，因此，飽和磁通密度不要求太高。但激磁頻率高，因此，要求電阻率大，磁性能穩(wěn)定，還要求機(jī)加工性能好。

軟磁材料的種類包括金屬、鐵氧體、非晶態(tài)和超微晶軟磁材料四大類。表1為常用軟磁材料[9]?？梢钥闯龉桎撈C合性能較好，并且硅鋼片價(jià)格較低。因此，定子鐵芯材料選用硅鋼。

表1 常用軟磁材料

3.2 定子沖片設(shè)計(jì)

由于激磁頻率高，旋轉(zhuǎn)變壓器工作磁場(chǎng)交變頻率高，易造成定子和轉(zhuǎn)子鐵芯鐵損高，因此定子沖片厚度的選取，應(yīng)以減低定子鐵芯的損耗為目標(biāo)，選取薄片有利于降低鐵損，但為了降低加工和裝配難度，沖片不宜太薄，而且過薄的沖片會(huì)導(dǎo)致疊壓系數(shù)小，影響鐵芯的磁性能。因此，綜合考慮選用0.2mm厚度。

3.3 線圈設(shè)計(jì)

在磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的定轉(zhuǎn)子和線圈進(jìn)行初步設(shè)計(jì)后，為了提高磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的精度，需要對(duì)旋變線圈進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

旋變的12個(gè)激磁線圈匝數(shù)相同，采用串聯(lián)連接，相鄰線圈繞向相反，激磁磁場(chǎng) N，S 交替排列。正余弦式輸出線圈匝數(shù)呈現(xiàn)正余弦規(guī)律變化，所以對(duì)于正余弦線圈結(jié)構(gòu)的旋變，每個(gè)齒上繞制3套線圈。圖7和圖8為正余弦輸出線圈匝數(shù)分布示意圖，圖9為旋變輸入輸出電壓波形圖，可以看出正弦輸出電壓包絡(luò)線為正弦波形，余弦輸出電壓包絡(luò)線為余弦波形，輸出輸入電壓比約0.5。

圖7 正弦輸出線圈匝數(shù)示意圖

圖8 余弦輸出線圈匝數(shù)示意圖

圖9 旋變輸出電壓波形圖

4 樣機(jī)試制

依據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果得出旋變參數(shù)，制作出樣機(jī)如圖10所示，與配套直流無刷電機(jī)進(jìn)行了聯(lián)試。旋轉(zhuǎn)變壓器正弦輸出的零位與電機(jī)A相反電勢(shì)過零點(diǎn)的相位差為0°。圖11為旋變正余弦兩相輸出與電機(jī)反電勢(shì)的波形圖，實(shí)測(cè)輸入輸出電壓比約0.5，與仿真波形圖和變壓比相近，證明仿真結(jié)果可靠。

圖10 樣機(jī)實(shí)物圖

圖11 旋變輸出與電機(jī)反電勢(shì)的波形

對(duì)直流無刷電機(jī)施加28V直流電壓,由控制器控制電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，用力矩加載臺(tái)即測(cè)功機(jī)為電機(jī)施加額定轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行電機(jī)的性能測(cè)試，結(jié)果顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，波動(dòng)較小。證明作為旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機(jī)位置傳感器精度滿足系統(tǒng)要求。說明設(shè)計(jì)方案合理，仿真分析可靠。

5 結(jié) 論

(1)針對(duì)機(jī)電產(chǎn)品號(hào)用電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的需求，設(shè)計(jì)了3對(duì)極磁阻旋轉(zhuǎn)變壓器。依據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果研制了樣機(jī)，并進(jìn)行了測(cè)試，輸出為正余弦包絡(luò)線信號(hào)，作為無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器，滿足要求。

(2)運(yùn)用有限元軟件建立旋變有限元仿真模型，進(jìn)行了仿真研究，并通過改變參數(shù)對(duì)旋變進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，為今后的旋變?cè)O(shè)計(jì)提供了依據(jù)和基礎(chǔ)。